预应力混凝土简支梁桥上部结构毕业设计.doc

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1、 前言随着经济不断发展，桥梁建设得到了飞速发展，它已从最开始的方便人们过河、跨海之用，已广泛应用于各种场合，它的用途不断多样化，它的形式也在最基本的三种受力体系上逐渐多样化，不仅从功能上、规模上，还从美观上、经济效益上，逐渐与时代发展相协调。所以桥梁建筑已不仅是交通线上的重要载体，也是一道美丽的风景被人津津乐道。本设计说明书所编写的是葫芦岛小寨沟大桥的上部设计方案。通过详细的勘察确定上部可变荷载，拟定桥梁尺寸，以确定相应的内力，配置以合适的预应力钢筋，使其提高桥梁的承载力，使达到桥梁的耐久性要求。在桥梁的使用期内，完成桥梁的使命。通过本次设计，我基本上掌握了桥梁上部设计的基本内容，从选截面尺寸

2、，到配置钢筋，每一个细节都是经过多次考虑，通过反复验算，使桥梁结构满足要求，且以经济合理的材料用量完成。所以上部设计是要求桥梁设计者，从一开始就要考虑到最后，这样就不会盲目的试算。但通过试算，使我深刻了解到了适算的真正含义。本次设计旨在使我巩固、加深本科期间所学理论知识，使自己能够具备在以后工作中利用知识解决问题的的能力。 限于编者的水平，设计之中一定存在不少缺点，恳请老师批评指导。1 概述1.1 设计资料桥孔布置为525预应力混凝土简支桥梁，跨径为25m，桥梁总长为125m。设计车速为，整体式两车道。路线等级：二级公路；荷载等级：公路-II级荷载；人群荷载：。桥面宽： 3.752（双车道）+

3、21.5（人行道）20.5（栏杆）=11.5m1.2 工程地质资料该地区土质主要分5层：1、粉质粘土 2、卵石土 3、粉砂 4、强风化岩 5、弱风化岩。地下水类型为第四季孔隙水，水位埋深4m左右，含水层主要岩性为砾石，厚3m左右。地震烈度为八度。1.3 水文及气候资料桥梁位于葫芦岛建昌市境内，雨热同季光照充足，四季分明，年平均气温8.2。一月平均气温10，最低气温26.9；七月平均气温23.4，最高气温40.7。年平均降水量550毫米，多集中在七、八月份。设计洪水频率百年一遇。1.4 设计依据公路桥涵设计通用规范(JTG D60-2004)公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范（JTG D6

4、2-2004）2 方案比选2.1 方案比选的主要标准桥梁设计的标准遵循以下原则：安全性、适用性、经济性、美观性，其中以安全性与经济性最为重要。桥型的选择应符合因地制宜、就地取材和便于施工与养护的原则。很据原始资料及使用要求初步拟定一下三种方案。2.2 方案编制2.2.1 预应力混凝土简支箱型梁桥 图2-1 简支梁桥 Fig 2-1 Simple beam Bridge2.2.2 预应力混凝土连续箱型梁桥图2-2 连续梁桥Fig 2-2 Continuous girder bridge2.2.3 拱式桥 图2-3 拱式桥Fig 2-3 Arch Bridge2.3 方案比选 方案一：预应力混凝土

5、简支箱型梁桥。简支梁受力明确，构造简单，施工方便，可便于装配施工。省时省工，适用于本设计的规模。简支梁桥属于静定结构，受力不如连续梁桥，养护麻烦。但是构造低廉，劳动力耗用少，工作量小、经济，中小型桥梁尤其适用。方案二：预应力混凝土箱型连续梁桥，该结构属于超静定结构，受力较好，无伸缩，行车条件好，养护方便。柱式墩台，配合桩基础结构稳定，施工方便，对地基的强度不过分依赖。但是预应力连续梁的技术先进，工艺要求比较严格，需要专门设备和专门技术熟练的队伍，且预应力梁的反拱度不容易控制，该方案机具耗用多，前期投入大，成本较多，成本难回收。 方案三：拱桥技术成熟，有大量的可以借鉴的经验，但需要大量的吊装设备

6、，占用大量场地及劳动力。拱桥跨越能力大，可以就地取材，坚固耐久，养护维修费用少，承载能力大，但拱桥自重较大，相应的水平推力也较大，增加了下部墩台圬工量。施工步骤多，需要劳动力多，剑桥时间长。由于水平推力大，在连续多孔拱中，必须设单项墩，防止连拱破坏，且平原地区不适合建造。 综上所诉：本着经济、安全、适用的原则，又考虑本工程所处的地质条件及未来适用条件，方案二工程大，投资多；方案三建设时间长，劳动多，且不适合平原地区；在承载能力相同的条件下应优先采用方案一。3 主梁的设计3.1 设计资料3.1.1 技术设计标准简支梁跨径：标准跨径L=25m，计算跨径l=24.5m；桥面净宽： 3.752（双车道

7、）+21.5（人行道）20.5（栏杆）=11.5m；荷载：公路-II级荷载；人群荷载：；安全等级为二级，结构重要性系数；环境：非严寒地区，I类环境条件。根据公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范（JDT D62-2004）要求，按照A类预应力混凝土构件设计此梁。施工方法采用后张法施工；预制主梁时，预留孔道采用预埋金属波纹管成型；钢绞线采用TD双作用千斤顶两端同时张拉；主梁安装就位后现浇28cm宽的湿接缝。最后按1.5%施工沥青桥面铺装层。3.1.2 材料1)预应力钢筋：采用标准的低松弛钢绞线（标准型），抗拉强度标准值，抗拉强度设计值，公称直径15.2mm，公称截面积，弹性模量，锚具采用夹片式

8、群锚。2)非预应力钢筋：HRB400级钢筋，抗拉强度标准值，抗拉强度设计值；HRB335级钢筋，抗拉强度标准值，抗拉强度设计值。3)混凝土：主梁采用C50，轴心抗压强度标准值，轴心抗拉强度标准值；轴心抗压强度设计值，轴心抗拉强度设计值。3.2 主梁截面尺寸拟定3.2.1 横截面布置 图3-1 主梁跨中使用阶段截面尺寸图 Fig 3-1 Girder cross-section size used in phase diagram 图3-2 主梁跨中预制阶段截面尺寸 Fig 3-2 Pre-stage of the main beam under section size梁高：110cm；箱梁腹

9、板（直腹式），取厚度：25cm；主梁间距：230cm；翼板宽度；202cm（28cm为湿接缝宽度）；翼板厚度：翼板端部12cm，翼板与腹板连接处16cm。根据“公路桥规”条文说明，由于箱型梁的顶板直接承受活载，为了改善其受力状态，顶板与腹板相交处设置承托。另外，设置承托也可以增加箱型截面的抗扭能力，故采用1:1形式，取高度：8cm；底板宽度：腹板间距a和悬臂长b应满足，取a=41cm，b=120cm，则=0.342；腹板厚度：为满足抗剪及施工要求，取25cm。桥面铺装：面层 沥青混凝土9cm，容重， 三角垫层 防水混凝土15cm，容重。3.2.2 纵断面的布置横截面沿跨长的变化，靠近支点时为适

10、应预应力钢筋的弯起布置，从跨截面截面，腹板和底板开始加厚。 图3-3 主梁端截面尺寸图(尺寸单位：cm)Fig 3-3 The main beam end section size chart(size unit: cm)3.2.3 毛截面几何特性（以中主梁使用阶段计算为例） 图3-4 中主梁使用阶段分割块（单位尺寸：cm）Fig 3-4 Stage in the main beam using the split block(size unit: cm)1)面积 =12202=2424 =418=164=7082=5740 =12098=11760 = 2)分块截面形心至上边缘距离y1=6c

11、m y2=6cm y3=12+8=14.67cm y4=12+=53cmy5=12+=61cm y61=12+8=14.67cm y62=86+8=88.67cm3)分块面积对上缘净距： S1=1686=1008cm3 S2=24246=14544cm3 S3=16414.67=1405.88cm3 S4=574053=304220cm3 S5=1176061=717360cm3 S61=3114.672=938.88cm3S61=3288.672=5674.88cm3 S=2S1+S2+2S3-S4+S5+S61+S62=441125.52cm34)分块面积的自身惯性矩yu-y1=41.76

12、cm yu-y2=41.76 yu-y3 =33.09cm yu-y4=-5.24cmyu-y5=-13.24cm yu-y61=33.09 yu-y62=-40.91cm所以有5）自身惯性矩 =7253382.40+6230348.01=13483730.41cm4检验截面效率指标（以使用阶段中主梁为例）：上核心距： = 下核心距： =30.56cm截面效率指标： 根据设计经验：一般截面效率指标取,且较大者宜较经济，上述计算表明，初拟主梁跨中截面是合理的。4 恒载内力计算主梁内力由两大部分组成，各片主梁靠行车道板连成空间整体结构，当桥上作用荷载（桥面板上两个车轴，前轴轴重为，后轴轴重为），各

13、片主梁共同参与工作，形成各片主梁之间的内力分布。计算活载：考虑各片梁的分布，汽车荷载所引起的各片梁的内力大小与梁的横断面形式、荷载作用位置有关。计算恒载：主梁自重。桥面铺装、人行道、栏杆总重除以梁片数，得到每片梁承担的重量。4.1 荷载的横向分布系数 4.1.1 支点截面：杠杆法 图4-1 支点截面杠杆法1、2号梁计算图示（单位尺寸：mm）Fig 4-1 Fulcrum Lever 1,2 beam cross-section calculation icon(size unit: mm) 1号梁： (4-1)2号梁： （4-2）3号梁： 4.1.2 跨中截面：（偏心压力法） 由于此桥的宽跨比

14、，故采用偏心压力法计算。 利用AUTOCAD软件中的工具菜单下查询命令可得： 截面面积（不考虑钢筋的影响）：A=9235.2cm2 转换后截面对形心轴的抗弯惯矩：13344076cm4 （1）截面的抗扭惯矩：将截面图形转化（图4-2） 图4-2 计算抗扭惯距的截面转化图形（单位尺寸：cm） Fig 4-2 Cross-section into shapes(size unit: cm) (4-3)（2）计算主梁抗扭修正系数：， 并取， (4-4) 图4-3 偏心受压法荷载分布(尺寸单位：cm) Fig 4-3 Eccentric loading load distribution method

15、 (size unit: cm)（3）汽车荷载横向分布系数双列汽车偏载（2P）作用时 1号梁的荷载横向分布系数： 2号梁的荷载横向分布系数： 3号梁的荷载横向分布系数： 单列汽车偏载（P）作用时 1号梁的荷载横向分布系数：2号梁的荷载横向分布系数：3号梁的荷载横向分布系数：（4）人群荷载横向分布系数考虑单侧布置人群荷载时，荷载偏心距1号梁的荷载横向分布系数：2号梁的荷载横向分布系数：3号梁的荷载横向分布系数：考虑双侧布置人群荷载时，荷载偏心距，1、2、3号梁的比较单侧布置人群荷载和双侧布置人群荷载的横向分布系数得，双侧布置人群荷载更不利，各号梁都取。表4-1 跨中荷载横向分布系数汇总如下Tab

16、le 4-1 Summary of coefficient of lateral distribution of load梁号横向分布系数采用值 汽车2列 汽车单列10.4360.2530.436（2列）20.4180.2260.418（2列）30.4 0.2 0.4 （2列）表4-2 荷载横向分布系数总汇Table 4-2 Summary of coefficient of lateral distribution of load梁号自跨中至段的分布系数支点分布系数汽车荷载人群荷载汽车荷载人群荷载10.4360.40.2070.95720.4180.40.6090.04330.40.40.8

17、2604.2 内力计算4.2.1 活载内力计算桥面净宽：=11.5m，车辆双向行驶，横向车道数为2，考虑折减系数。公路-I级荷载：计算跨径l，位于5-50之间，集中荷载标准值，=180+；均布荷载标准值.公路-II级车道荷载为公路-I级车道荷载的0.75倍，则，；人群荷载标准值为。计算剪力效应时，集中荷载标准值应乘以1.2的系数，则计算剪力时，集中荷载标准值；均布荷载标准值。结构基频： (4-5) 因为当时， = 0.1767-0.0157=0.2136取跨中截面： 图4-4内力活载跨中截面 Fig 4-4 Cross section of internal forces in the imp

18、act of line1) 弯矩： 1号梁： (4-6) (4-7)2号梁：3号梁：2) 剪力： 1号梁 (4-8) (4-9)2号梁 3号梁 跨截面： 图4-5 内力活载跨截面 Fig 4-5 Cross section of internal forces in the impact of line1) 弯矩： 1号梁 2号梁 3号梁 2) 剪力： m1号梁 2号梁3号梁变截面（截面处）： 图4-6 内力活载截面Fig 4-6 Cross section of internal forces in the impact of line1) 弯矩：， 1号梁=2号梁3号梁2)剪力1号梁 2号

19、梁3号梁 支点截面：计算需考虑荷载横向分布系数沿桥纵向的变化，支点截面取，取，支点至段的横向分布系数按直线变化。 图4-7 内力活载支点截面Fig 4-7 Live load pivot section internal force1号梁 (4-10) 取荷载作用于距支座L/4位置处，相应的横向分布系数，将x=6.125m代入上式，则 (4-11) (4-12) 2号梁 3号梁 4.2.2 恒载内力计算恒载集度1)主梁预制时的自重（第一期恒载）为简化计算按不变截面计算，主梁每延米自重 1号梁： 2号梁：3号梁： 图4-9 内力计算桥面铺装 Fig 4-9 Pavement calculatio

20、n2)栏杆、人行道、桥面铺装（第三期恒载）栏杆和人行道都取5KN/m；垫层坡度取1.5%。铺装层：1号梁 2号梁3号梁恒载集度汇总于表4-3表4-3 主梁恒载Table 4-3 Set degree main beam dead load荷载和梁号第一期恒载第二期恒载恒载总和1号23.098.9532.042号23.0915.4038.493号23.0916.8939.98 4.2.3 各截面内力计算1)计算恒载弯矩和剪力的公式：设为计算位置距左边支座的距离 (4-13) (4-14) 则计算在表4-4。表4-4 各截面恒载内力汇总表Table 4-4 The section containi

21、ng the internal force constant matrix项目支点第一期恒载1号梁1793.251299.36757.96141.43212.14282.852号梁1793.251299.36757.96141.43212.14282.853号梁1793.251299.36757.96141.43212.14282.85第二期恒载1号梁671.54256.97293.5953.7082.24109.642号梁1154.47886.59505.1694.36141.50188.653号梁1267.27950.44554.07105.55155.21206.90表4-5 1号梁作用

22、效应组合值Table 4-5 Table girder combination of internal forces截面内力名称跨中截面截面变化点截面支点截面荷载内力值一期恒载标准值1793.2501299.36141.43757.96212.14282.85二期恒载标准值671.540256.9753.70293.5982.24109.64人群荷载标准值135.065.51101.2712.40100.2429.0929.09公路-II级汽车荷载标准值（不计冲击系数）774.36610.14580.4599.59476.38172.55239.81公路-II级汽车荷载标准值（计入冲击系数，冲

23、击系数）939.7674.19704.43120.86578.13209.41291.03持久状态的应力计算的可变作用标准组合（汽+人）1074.8279.70805.7133.26678.37238.50320.12承载能力极限状态计算的基本组合4424.68110.042967.22417.252183.57679.01911.01正常使用极限状态按作用短期效应组合计算的可变荷载设计值（0.7汽+1.0人）677.11433.03507.5981.95433.71149.88196.96正常使用极限状态按作用长期效应组合计算的可变荷载设计值（0.4汽+0.4人）363.77246.5027

24、2.6944.80230.6580.66107.56表4-6 2号梁作用效应组合值Table 4-6 Table girder combination of internal forces截面内力名称跨中截面截面变化点截面支点截面荷载内力值一期恒载标准值1793.2501299.36141.43757.96212.14282.85二期恒载标准值1155.470866.5994.36505.16141.50188.65人群荷载标准值135.065.51101.2712.4032.7217.5417.54公路-II级汽车荷载标准值（不计冲击系数）742.3858.61556.4895.48399.

25、05148.88177.50公路-II级汽车荷载标准值（计入冲击系数，冲击系数）900.9671.13675.34115.87484.29180.68215.42持久状态的应力计算的可变作用标准组合（汽+人）1036.0276.64776.61128.27517.01198.22232.96承载能力极限状态计算的基本组合4951.08105.753658.04495.052230.40696.96887.03正常使用极限状态按作用短期效应组合计算的可变荷载设计值（0.7汽+1.0人）654.7346.54490.8179.24312.06121.76141.79正常使用极限状态按作用长期效应组

26、合计算的可变荷载设计值（0.4汽+0.4人）350.9825.65263.1043.15172.7166.5778.02表4-7 3号梁作用效应组合值Table 4-7 Table girder combination of internal forces截面内力名称跨中截面截面变化点截面支点截面荷载内力值一期恒载标准值1793.2501299.36141.43757.96212.14282.85二期恒载标准值1267.270950.44105.55554.07155.21206.90人群荷载标准值135.065.51101.2712.4029.5517.0017.00公路-II级汽车荷载标准

27、值（不计冲击系数）710.4256.09532.5191.36476.38172.55238.81公路-II级汽车荷载标准值（计入冲击系数冲击系数）862.1668.07646.26110.88578.13209.41291.03持久状态的应力计算的可变作用标准组合（汽+人）997.2273.58747.53123.28607.68226.41308.03承载能力极限状态计算的基本组合5030.92101.473717.95465.502416.91753.031014.18正常使用极限状态按作用短期效应组合计算的可变荷载设计值（0.7汽+1.0人）632.3544.77474.0376.35

28、363.02137.79184.17正常使用极限状态按作用长期效应组合计算的可变荷载设计值（0.4汽+0.4人）338.1924.62253.5141.50202.3775.82102.325 钢筋面积的估算及布置材料：a.混凝土：C50 强度标准值：轴心抗压： 轴心抗拉：强度设计值：轴心抗压： 轴心抗拉：b.预应力钢筋：美国ASTM-A416-97a标准的低松弛钢绞线（标准型）抗拉强度标准值：抗拉强度设计值：选择公称直径为15.2mm，公称面积为c.非预应力钢筋：，选用HRB400级钢筋，抗拉强度设计值； 抗压强度设计值； 抗拉强度标准值；，选用级钢筋，抗拉强度设计值； 抗拉强度标准值；d.

29、锚具：采用夹片式群锚设计要求：公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范(JTG-D62-2004)的要求，按类预应力混凝土构件设计。施工方法：后张法施工，预制主梁时预留孔道采用预埋螺旋金属波纹管成型，钢绞线采用TD双作用千斤顶两端同时张拉，主梁安装就位后现浇28cm宽的湿接缝。 5.1 预应力钢筋截面积估算A类部分预应力混凝土构件，根据跨中截面抗裂要求，得跨中截面所需的有效预加力为： (5-1)式中的正常使用极限状态按作用短期效应作何计算的弯矩值；由内力表（3号梁）有： 设预应力钢筋截面中心距下缘为，则预应力钢筋的合力作用点至截面重心的距离为：截面性质近似取全截面的性质来计算：跨中截面面积为，

30、截面对抗裂验算边缘的弹性抵抗矩： （5-2）所以有效预加力合力：预应力损失按张拉控制应力：预应力损失按张拉控制应力的估算，则可得需要的预应力钢筋的面积为 (5-3)故采用4束钢绞线。采用夹片式群锚，的金属波纹管成孔。5.2 预应力钢筋布置5.2.1 预应力钢筋布置后张法预应力钢筋混凝土受弯构件的预应力管道布置符合公路桥规中的有关构造要求。参考已有的设计图纸并按公路桥规中的构造要求，对跨中截面的预应力钢筋进行初步布置。图5-1 跨中截面钢束布置图Fig 5-1 cross-prestressed reinforcement layout5.2.2 支点截面钢束布置为使施工方便，全部4束预应力钢筋

31、均锚固与两端如下图。这样布置符合均匀分散的原则，还能满足张拉的要求，而且钢束在两端均弯曲较高，可提供较大的预剪力。设伸缩缝为，则净跨径为则支座处距两端距离为图5-2 支点截面钢束布置Fig 5-2 Fulcrum section of steel beam arrangement5.2.3 其他截面钢束位置及倾角计算1)钢束弯起形状、弯起角及弯起半径采用直线段中接圆弧曲线段的方式弯起；为使预应力钢筋的预应力垂直作用于锚垫板上。为1号、2号钢筋，弯起取；为3号、4号钢筋，弯起取。各钢束的弯起半径为，。2)钢束控制点位置的确定a号钢筋，其弯起布置如下由，由，所以弯起点至锚固点的水平距离为，则弯起点

32、至跨中截面的水平距离为，根据圆弧切线性质，图中弯止点沿切线方向至导线点的水平距离为，故弯止点至跨中截面的水平距离为；图5-3 曲线预应力钢筋计算图Fig 5-3 Calculation of prestressed reinforced curve diagramb号钢束由，由，则弯起点至跨中截面的水平距离为，则弯起点至跨中截面的水平距离为，根据圆弧切线性质，图中弯止点沿切线方向至导线点的水平距离为，故弯止点至跨中截面的水平距离为；表5-1 各钢束弯曲控制要素Table 5-1 control of the steel beam matrix parameters钢束号升高值弯起角/弯起半径支

33、点至锚固点的水平距离弯起点距跨中截面水平距离弯止点距跨中截面水平距离3004500015766691265970030000934934100093)各截面钢束位置及倾角计算计算钢束上任一点离梁底距离及该点处钢束的倾角，式中为钢束弯起前其重心质量地距离，的，计算时，应首先判断出点所处的区段，然后计算和，计算如下：a.当时，点位于直线段还未弯起，故；b.当时，点位于圆弧弯曲段，和均按下式计算： (5-4) (5-5) c.当时，点位于靠近锚固段的直线段，此时，按下式计算： 表5-2 各截面钢束位置及倾角计算表Table 5-2 Location of the cross-section of s

34、teel beam and angle computation计算截面钢束号跨中截面79564703为负，钢筋尚未弯起008058334176截面=612579564703为负，钢筋尚未弯起0080583341761.4281.42变化点截面9187.5 7956470316.85496.85458334176188.078268.078支点截面=1225079564703205.34285.3458334176607.00687.005.3 非预应力钢筋截面估计及布置按构件承载能力极限状态要求估算非预应力钢筋数量，在确定预应力钢筋数量后，非预应力钢筋根据正截面承载能力极限状态的要求来确定。设

35、预应力钢筋和非预应力钢筋的合力点到截面底边的距离为则有，依据公路桥规JTG-D62第4.2.3条来确定箱型截面翼缘板的有效宽度，对于简支梁桥：有，。图5-4 箱形梁截面翼缘板的有效宽度Fig 5-4The box girders cross-section of the flange plates ， ，根据上述的比值，由桥规(JTG-D62)查的。 将箱型转化为T型截面，箱形截面全截面的计算弯矩为5030.92KNm，一个T型截面承受弯矩为2515.46KNm故属于第一类截面。由公式，求解采用10根直径为14mm的HRB400级钢筋，提供的钢筋截面面积为，布成一排，其间距为100mm，钢筋中心到底边的距离为； 图5-5 等效工字形截面和截面配筋图 Fig 5-5 Equivalent i-section section and section reinforcement figure 6 主梁截面几何特性计算 后张法预应力混凝土主梁截面几何特性按照不同阶段分别计算如下：a.主梁预制并张